溫建忠，趙會(huì)國，張洋洋，楊麗娜

(1.內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

煤炭開采為我國能源供應(yīng)提供了保障，但同時(shí)，也造成了土地?fù)p毀、區(qū)域植被退化等生態(tài)問題，煤炭開發(fā)與生態(tài)保護(hù)矛盾日漸突出，對生態(tài)環(huán)境造成了不小的威脅[1]。敏東一礦坐落在我國生態(tài)安全“兩屏三帶”的北部防沙帶，受氣候條件制約，具有酷寒、半干旱、土壤貧瘠等生態(tài)脆弱性特征。煤炭開采過程中會(huì)對草原造成破壞，致使草原面積逐年減少，生態(tài)恢復(fù)是亟待解決的問題[2]。特殊的區(qū)域環(huán)境，決定了草原損毀土地整治措施的特殊性和復(fù)雜性[3-6]。

白中科提出地貌重塑、土體再造和植被重建是工礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建的基礎(chǔ)工程和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)；胡振琪對我國土地復(fù)墾與生態(tài)重建進(jìn)行了展望；李樹志提出了矸石充填復(fù)墾、就地取土復(fù)墾的剖面構(gòu)建方法及區(qū)域農(nóng)業(yè)景觀再塑技術(shù)，介紹了采煤沉陷區(qū)次生濕地生境、植被景觀、人工景觀構(gòu)建技術(shù)與水質(zhì)修復(fù)方法[7-10], 本文在專家學(xué)者的理論基礎(chǔ)上，通過對草原生態(tài)脆弱區(qū)井工礦開采對地表不同損毀形式的調(diào)查，提出了草原生態(tài)脆弱區(qū)不同損毀形式的土地整治措施。

1 研究區(qū)概況

礦區(qū)位于大興安嶺山地西北坡，地處大興安嶺丘陵向呼倫貝爾高平原的過渡帶，礦區(qū)土壤處于黑鈣土向暗栗鈣土過渡帶，區(qū)內(nèi)主要地帶性土壤有黑鈣土、暗栗鈣土，非地帶性土壤主要有草甸土、沼澤土和風(fēng)沙土，腐殖質(zhì)層厚度約20～50 cm，土壤肥力水平整體較低，有機(jī)質(zhì)含量少，持水保肥能力差，多年平均降雨量347.7 mm，年平均蒸發(fā)量1 050.0 mm，凍結(jié)期由10月至翌年的5月初，最大凍結(jié)深度3.89 m，無霜期95 d，區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)類型為丘陵，地形變化不大，呈由東向西降低的單傾斜趨勢，地形坡度較小(5°～10°)，海拔標(biāo)高680～740 m。

2 礦區(qū)土地?fù)p毀形式現(xiàn)狀

2.1 地表損毀形式

地下煤層被采出后，形成采空區(qū)，導(dǎo)致周圍巖體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生破壞,在應(yīng)力重新調(diào)整到新的平衡過程中,上覆巖土層在空間和時(shí)間上發(fā)生移動(dòng)、變形，形成沉陷盆地。敏東一礦礦區(qū)開采造成的地表沉陷表現(xiàn)形式主要是在牧草地上的沉陷、隆起及地表裂縫，由于沙質(zhì)松散層的特點(diǎn)，地表一般不會(huì)形成積水，如圖1所示。

圖1 沉陷區(qū)裂縫和隆起現(xiàn)狀

由于皮帶運(yùn)輸走廊下長期光照少，且有大量的牲畜在此地乘涼、穿過的原因，皮帶運(yùn)輸走廊占用的土地地表土壤已呈現(xiàn)沙化趨勢，無植被覆蓋，如圖2所示。

圖2 皮帶運(yùn)輸走廊占用土地現(xiàn)狀

2.2 地表損毀土地的土壤特性

從研究區(qū)內(nèi)新產(chǎn)生的沉陷區(qū)裂縫、隆起、皮帶運(yùn)輸走廊占用等土地?fù)p毀形式，分別采樣進(jìn)行研究，根據(jù)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的可獲取性、礦區(qū)場地類型，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，采用梅花型布點(diǎn)法確定采樣點(diǎn)位置，每個(gè)樣點(diǎn)分土壤表層0～20 cm和20～40 cm分層取樣，每層各取三個(gè)混合樣，用土鉆采樣。土壤養(yǎng)分分析指標(biāo)為全氮、有機(jī)質(zhì)。沉陷區(qū)和皮帶運(yùn)輸走廊占用土地全氮、有機(jī)質(zhì)對比分析圖如圖3～圖6所示。

圖3 沉陷區(qū)全氮對比分析圖

圖4 皮帶運(yùn)輸走廊占用土地全氮對比分析圖

圖5 沉陷區(qū)有機(jī)質(zhì)對比分析圖

圖6 皮帶運(yùn)輸走廊占用土地有機(jī)質(zhì)對比分析圖

由圖3可知，沉陷區(qū)0～20 cm土層中土壤全氮含量普遍在1.85～2.56 g/kg之間，屬于1～2級(jí)豐富，20～40 cm土層中土壤全氮含量普遍在0.86～1.79 g/kg之間，屬于3級(jí)中等。由圖4可知，皮帶運(yùn)輸走廊占用土地0～20 cm全氮含量主要分布在0.12～0.53 g/kg之間，20～40 cm土層中土壤的全氮含量主要分布在0.14～0.9 g/kg之間，屬于6級(jí)極缺。沉陷區(qū)0～20 cm土層腐殖質(zhì)含量高，所以0～20 cm土壤全氮含量一般高于20～40 cm土層。皮帶運(yùn)輸走廊占用土地的地表土層已經(jīng)沙化，無植被覆蓋，所以0～20 cm土壤全氮含量偏低。

由圖5可知，沉陷區(qū)0～20 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍在3.40～4.62 g/kg之間，20～40 cm土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍在1.64～3.26 g/kg之間，屬于6級(jí)極缺。0～20 cm土層腐殖質(zhì)含量高，所以0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量一般高于20～40 cm土層。由圖6可知，皮帶運(yùn)輸走廊占用土地0～20 cm和20～40 cm土層中土壤的有機(jī)質(zhì)含量主要分布在1.48 g/kg以下，屬于6級(jí)極缺，皮帶運(yùn)輸走廊占用土地的地表土層已經(jīng)沙化，無植被覆蓋，所以0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低。

3 礦區(qū)損毀土地整治技術(shù)

敏東一礦礦區(qū)沉陷區(qū)被破壞的土地類型為牧草地，地表土層厚度為20～50 cm，在采動(dòng)破壞的影響下，表土極易沙化、不易恢復(fù)，因此，提出輕擾動(dòng)的裂縫和隆起協(xié)同治理模式，分為工程治理技術(shù)和生物治理技術(shù)。

3.1 工程治理技術(shù)

3.1.1 地裂縫治理技術(shù)

地表穩(wěn)沉后的永久性裂縫很難自愈，長時(shí)期內(nèi)將對生態(tài)環(huán)境造成不可逆的破壞，針對敏東一礦礦區(qū)土地荒漠化的特點(diǎn)，盡量減少對裂縫兩側(cè)原生牧草地的擾動(dòng)，對裂縫進(jìn)行充填，采用細(xì)沙和水(比例3:1)對裂縫進(jìn)行充填，直充至距地表20 cm，利用小型機(jī)械設(shè)備在隆起區(qū)取土，對裂縫進(jìn)行表土覆蓋，采用人工和機(jī)械相結(jié)合的方式對平整后的表土進(jìn)行必要的碾壓，使其達(dá)到天然土壤的干密度，減少后期下沉，地形與原地貌保持一致，在覆土表面進(jìn)行植被恢復(fù)，如圖7所示。

圖7 水平開裂裂縫治理技術(shù)示意圖

3.1.2 隆起治理技術(shù)

(1)表土剝離

在施工前需將隆起高度在30 cm以上部分全部剝離，主要以人工治理方式為主，為防止水土流失采取一定的防護(hù)措施，盡可能的保護(hù)原表土，填充至裂縫表面。

(2)土地平整

隆起高度在30 cm以下的直接耙平，采用人工和機(jī)械相結(jié)合的方式對平整后的表土進(jìn)行必要的碾壓，碾壓至天然土壤的干密度，以減少下沉。

3.1.3 皮帶運(yùn)輸走廊占用土地治理技術(shù)

(1)場地清理

對皮帶運(yùn)輸走廊治理區(qū)內(nèi)的建筑垃圾進(jìn)行清理，皮帶運(yùn)輸走廊正下方及兩側(cè)2 m以內(nèi)人工清理，其他區(qū)域人工配合機(jī)械清運(yùn)。

(2)土地平整

牲畜經(jīng)常穿過廊道，通過道路到達(dá)對面草場活動(dòng)，并且在炎熱夏季長期集聚在輸煤廊道下乘涼，對地面踩踏嚴(yán)重，導(dǎo)致地面硬度過大，影響植被的生長，利用小型機(jī)械進(jìn)行表土松平，改善地面硬度，厚度30 cm，對皮帶運(yùn)輸走廊正下方及兩側(cè)2 m范圍內(nèi)人工平整。

3.2 生物治理技術(shù)

3.2.1 土壤改良

皮帶運(yùn)輸走廊占用土地地表土壤已經(jīng)呈現(xiàn)沙化趨勢，根據(jù)對地表土壤特性的檢測，全氮和有機(jī)質(zhì)含量均較低，所以對地表土壤首先采取土壤改良措施，利用電廠堆積風(fēng)化超過3個(gè)月的粉煤灰(用量10 kg/m2)與腐殖酸(用量0.5 kg/m2)，采用小型機(jī)械將其與30 cm厚沙土摻拌混勻，以達(dá)到土壤改良的效果。

3.2.2 植被配置

(1)沉陷區(qū)植被配置類型

選擇適宜的草種是重建和恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。植物種類的組成決定著人工植被能否形成，即能否成活、保存、正常生長、發(fā)育和能否發(fā)揮應(yīng)有的功能。因此，針對治理區(qū)寒冷、風(fēng)大、春季干旱的特點(diǎn)，依據(jù)沉陷區(qū)土壤特性及裂縫、隆起兩側(cè)植被類型，結(jié)合破壞前土地利用類型以及草種的生物學(xué)特性，堅(jiān)持以鄉(xiāng)土草種為主，選種播撒牧草為宜。根據(jù)地帶性規(guī)律，用同一地帶適應(yīng)性強(qiáng)的草種，充分利用豆科植物的固氮優(yōu)勢，采取豆科牧草與禾本科牧草混播方式，選擇草種為豆科植物紫花苜蓿，禾本科植物沙生冰草、地榆及披堿草，植物特性如表1所示。

表1 沉陷區(qū)植物特性表

豆科牧草主要吸收土壤中的鈣、磷和鎂，而禾本科牧草主要吸收土壤中的硅和氮，混播模式可以有效降低植物在生長過程中對土壤中養(yǎng)分的競爭。同時(shí)，豆科牧草具有固氮功能，不但可滿足本身的生長發(fā)育需要，還可提供禾本科牧草對氮素的需要，而且禾草對固氮產(chǎn)物的利用可促使豆科牧草的固氮作用增強(qiáng)。由于禾本科牧草根系較淺，主要集中在土層30 cm以內(nèi)，豆科牧草根系較深，可達(dá)深度1～2 m，根系在空間上的分布差異，可降低地下水分和養(yǎng)分的競爭，提高草地的生產(chǎn)力，有利于土壤肥力的恢復(fù)。

(2)皮帶運(yùn)輸走廊占用土地植被配置類型

皮帶運(yùn)輸走廊靠近礦區(qū)進(jìn)場公路，可進(jìn)行景觀植被配置，采取喬-灌-草混合模式的種植方案，樟子松有龐大而健壯的根系和根菌，是水土保持的優(yōu)良樹種，成活率高。播種固沙植物是最有效方法，直播施工方便，但見效慢，受降雨限制。植苗見效快，可人工澆水，但施工復(fù)雜，造價(jià)相對高，所以本區(qū)采用移栽樟子松、檸條兒、沙棘和播種固沙植物相結(jié)合的方式，改良后的土壤種植紫花苜蓿、黃花苜蓿、披堿草。植被特性如表2所示。

表2 皮帶運(yùn)輸走廊占用土地植物特性表

草種必須是一級(jí)原種，有條件應(yīng)進(jìn)行根瘤菌接種和種子包衣，增加出苗率，根據(jù)敏東一礦礦區(qū)冬季漫長寒冷、雨雪稀少的氣候特點(diǎn)，最好在雨季來臨前或雨季搶墑播種，播種深度一般為2～3 cm為宜。

4 管護(hù)技術(shù)

對沉陷區(qū)和皮帶運(yùn)輸走廊占用土地采取圍欄封育的方式，利用草庫倫網(wǎng)圍欄對復(fù)墾后的牧草地設(shè)置圍欄進(jìn)行封育管理，嚴(yán)禁復(fù)墾恢復(fù)過渡階段放牧。對牧草稀疏的地方應(yīng)在第二年及時(shí)補(bǔ)播，最好在雨季來臨前完成補(bǔ)種作業(yè)。礦區(qū)極端最低氣溫-39.9 ℃(1997年1月20日)，無霜期95 d，因此要特別注意防凍措施，防凍措施包括：(1)在適合季節(jié)種植，爭取在入冬之前培育成壯苗；(2)針對第一年種植的植被，可以在入冬前在地表覆蓋塑料布、草氈子等，以提高植物的抗凍能力。

5 結(jié) 論

通過對土壤養(yǎng)分指標(biāo)全氮及有機(jī)質(zhì)的化驗(yàn)分析，沙化土壤的肥力下降明顯，根據(jù)地表的土地?fù)p毀現(xiàn)狀、土壤特性等提出有針對性的生態(tài)治理措施，包括工程治理措施和生物治理措施，將開采對地表土壤和植被的不利影響降到最小，達(dá)到既可以保障生態(tài)環(huán)境的美好、又可以促進(jìn)礦山企業(yè)的健康生產(chǎn)。但是生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)是一個(gè)長期的過程，所以在煤炭開采過程中，對生態(tài)環(huán)境的防治是重中之重。